New Method of Detection of Hydrogen - Matéria

ISSN 1517-7076
Revista Matéria, v. 13, n. 4, pp. 643 – 649, 2008
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10981
Reciclagem de materiais: estudo das propriedades mecânicas de
policarbonato reciclado de discos compactos
Giovanella, J.; Janczkowski, R.; Soares, G.C.; Serafim, C.E.; Ramos, T.O.B.; Silva, C.W.da; Molinari, E.J.;
Conti, D.S.
I
Sociedade Educacional de Santa Catarina - SOCIESC, Escola Técnica Tupy - ETT, Departamento de
Materiais, Rua Albano Schmidt 3333, 89227-700, Boa Vista, Joinville, SC, Brasil
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected],
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[email protected]
RESUMO
O disco compacto (CD) e o disco de vídeo digital (DVD) são artefatos obtidos de um polímero
termoplástico, o policarbonato, metalizado. Tais discos são produzidos e comercializados em milhões de
unidades no mundo todo, e, desde o seu processamento até o uso pelo consumidor final, é estimado que
aproximadamente 10% da produção de CD e DVD é descartada. O policarbonato pode ser separado das
demais camadas destes discos, por vários métodos, recuperado e re-utilizado. Porém, na maioria das vezes,
sua destinação são os lixões das grandes cidades, contribuindo para o agravamento da poluição ambiental.
Este trabalho teve como objetivo estudar as propriedades mecânicas do policarbonato reciclado de CD e
DVD através do método de abrasão mecânica, visando tornar viável o uso cotidiano deste material, sendo
capaz de substituir polímeros de uso comum, como o poliestireno (PS), ou ser utilizado juntamente com o PC
virgem em determinadas aplicações. Corpos de prova de PS e das misturas de PC-virgem/PC-reciclado (nas
proporções de 100/0, 70/30, 50/50, 30/70 e 0/100 em %m/m) foram obtidos através de moldagem por injeção
para a realização de ensaios de resistência à tração e ao impacto Izod além de dureza Shore. Foi observado
que em até 70% de PC reciclado adicionado às blendas, houve diminuição da resistência ao impacto e da
deformação enquanto a resistência à tração e a dureza superficial foram mantidas, em relação ao PC virgem.
Verificou-se também que o PC reciclado conseguiu atingir 79,2% da tensão máxima de tração e 60,8% da
resistência ao impacto do PC virgem. Quando comparado ao PS, o PC reciclado apresentou bom desempenho
mecânico, sendo ambos similares quanto à resistência à tração, à deformação e à dureza, porém melhor
resistência ao impacto.
Palavras-chaves: policarbonato reciclado, poliestireno, disco compacto, propriedades mecânicas.
Materials recycling: study of mechanical properties of the recycled
polycarbonate from compact discs
ABSTRACT
The compact disc (CD) and digital video disc (DVD) are goods obtained from a thermoplastic
polymer, the polycarbonate, metallized. Such discs are produced and commercialized in millions of units all
over the world, and since their processing until their use by the final consumer, it is estimated that
approximately that 10% of the production of CD and DVD is discarded. The polycarbonate can be separated
from the other layers of these discs, through several methods, recovered and re-used, but in most of times, its
destination is the landfill in the big cities, contributing to the increase of the environmental pollution. This
work had as objective to study the mechanical properties of recycled polycarbonate from CD and DVD
through the mechanical abrasion method, in order to make feasible its daily use, being able to substitute
commodity polymers, as polystyrene (PS), or being used with the virgin PC in some applications. Specimens
of PS and blends of virgin-PC/recycled-PC (in the ratios of 100/0, 70/30, 50/50, 30/70 and 0/100 in %w/w)
were obtained by injection moulding for tests of tensile strength, Izod impact strength besides Shore
hardness. It was observed that with the addition of up to 70% of recycled PC in the blends, there was a
decrease of both the impact strength and the elongation while the tensile strength and surface hardness were
Autor Responsável: Conti, D.S.
Data de envio: 21/12/2006
Data de aceite: 14/04/2008
GIOVANELLA, J.; JANCZKOWSKI, R.; SOARES, G.C.; SERAFIM, C.E.; RAMOS, T.O.B.; SILVA, C.W.; MOLINARI, E.J.;
CONTI, D.S.; Revista Matéria, v. 13, n. 4, pp. 643 – 649, 2008.
unchangeable, with respect to the virgin PC. It was also noticed that the recycled PC could reach 79.2% of
the maximum tensile strength and 60.8% of the impact strength of the virgin PC. When compared to PS, the
recycled PC showed good mechanical performance, being similar in tensile strength, elongation and hardness
but presenting better impact strength.
Keywords: recycled polycarbonate, polystyrene, compact disc, mechanical properties.
1
INTRODUÇÃO
No início da década de 1980, as indústrias Phillips e Sony, européia e japonesa, respectivamente,
apresentaram para o mundo o disco compacto de áudio (compact disc – CD). Desde então, o consumo de tais
discos pela indústria fonográfica e a sua utilização em outros segmentos, como pelas indústrias de software e
programação, gravação de dados, textos, imagens, vídeos, etc., vêm aumentando muito. Esses discos
compactos têm se tornado cada vez mais populares, com capacidade para armazenar grandes volumes de
informações [1].
Em 1991, a produção de CDs em todo o mundo chegou a 400 milhões de unidades [2] e tem
aumentado cerca de 10% a cada ano [3]. A produção de discos compactos para gravação de dados (compact
disc read only memory, o CD-ROM) foi de aproximadamente 5,2 bilhões de unidades no mundo inteiro em
2002, e em 2003, todos os DVDs (digital video disc) e CDs para áudio, vídeo e gravação de dados
produzidos no mundo totalizaram cerca de 12 bilhões de unidades [2]. Quanto ao formato e a tecnologia de
produção, um DVD é muito similar a um CD. Entretanto, os DVDs possuem maior capacidade de gravação
de dados, cerca de sete vezes mais que um CD [4].
CDs e DVDs são artefatos feitos a partir do termoplástico policarbonato (PC), metalizado [3]. O
policarbonato é o polímero utilizado na confecção de CDs e DVDs devido às suas propriedades, como
excepcional transparência e transmitância, baixa absorção de umidade, rigidez, resistência térmica e altíssima
resistência ao impacto [1, 5].
Desde o processo de manufatura até o uso pelo consumidor final, estima-se que aproximadamente
10% de todos os CDs e DVDs produzidos sejam descartados [6]. Somente nos Estados Unidos da América,
mais de dois bilhões de CDs são produzidos todos os anos e cerca de 200 milhões são rejeitados, seja por
defeitos de fabricação no momento da injeção do policarbonato ou erros durante o processo de gravação, e
até mesmo desperdiçados na distribuição como material de divulgação comercial [3, 6].
Estes CDs e DVDs descartados podem ter o policarbonato separado das demais camadas,
regranulado, reprocessado e reutilizado. Entretanto, na maioria das vezes, tais discos acabam mesmo nos
lixões das grandes cidades. Por exemplo, os Estados Unidos despejam mais de 160 milhões de toneladas
anuais de resíduos sólidos no meio ambiente, sendo que 4 a 7% (em peso) correspondem a materiais
plásticos. Problemas decorrentes dessa poluição ambiental têm levado a comunidade científica a refletir sobre
rotas alternativas para o problema, como a reciclagem, a incineração e o uso de polímeros biodegradáveis [7].
Com relação aos polímeros biodegradáveis, os mais estudados são o poli (3-hidroxibutirato), P(3HB), e o
poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato), P(3HB-co-3HV) [8, 9, 10, 11]. Entretanto, tornar viável a
utilização desses materiais em aplicações cotidianas ainda envolve processos que apresentam muitas
dificuldades. Sendo assim, a reciclagem de materiais plásticos torna-se uma alternativa atrativa e viável [12].
O processo de produção de CDs e DVDs não permite que os mesmos sejam reciclados facilmente.
Tais discos são constituídos por multicamadas: o policarbonato juntamente com três camadas de menor
espessura (alumínio, verniz e a impressão). A camada de alumínio possui de 55 a 70 µm de espessura,
enquanto que o verniz e a impressão totalizam cerca de 20 microns. Dessa forma, para a reciclagem do
policarbonato de CDs e DVDs faz-se necessário a remoção dessas camadas extras [2].
Existem muitos métodos para a remoção das camadas extras do policarbonato de CDs e DVDs,
desde procedimentos totalmente químicos até físico-mecânicos [4]. Entretanto, as técnicas mais comuns são:
a) a separação química, que envolve o uso de agentes químicos agressivos, como soluções alcalinas e sais
inorgânicos em elevadas temperaturas para remover as camadas extras do policarbonato [4]; b) a filtração
durante a fusão, onde os discos são moídos e o material é secado e regranulado numa extrusora equipada com
uma série de filtros que remove os contaminantes sólidos que não fundem durante a fusão do policarbonato, o
qual consegue passar pelos filtros e é separado dos metais [4, 13]; c) o processo mecânico, que consiste na
remoção das camadas do policarbonato através de abrasão [2].
O processo mecânico tem sido considerado a melhor maneira de recuperar o policarbonato de CDs e
DVDs, uma vez que é um método seguro, simples e eficaz. Equipamentos específicos possuem uma escova
de alta rotação, que remove as camadas extras que estão sobre o policarbonato, e uma esteira transportadora
que move os discos continuamente (Figura 1). A escova remove as camadas metálicas, cujas partículas são
conduzidas para um filtro onde ocorre a recuperação do alumínio. Ar comprimido, gás inerte ou água
pulverizada podem ser aplicados na interface do disco com a escova para garantir resfriamento e evitar a
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fusão prematura do policarbonato. Os discos com o policarbonato separado são regranulados em extrusora e
o termoplástico pode então ser reutilizado [2]. As vantagens dessa técnica são: facilidade de adaptação ao
ambiente de manufatura, o equipamento é de simples operação, o custo é relativamente baixo e o processo
não envolve produtos químicos perigosos [4].
Figura 1: Esquema de um processo de reciclagem de discos compactos por abrasão mecânica [2].
Estudos têm verificado [4, 13, 14, 15] que a qualidade do policarbonato reciclado de CDs e DVDs é
pouco inferior em relação ao policarbonato virgem. Entre algumas propriedades mecânicas, o módulo de
elasticidade do policarbonato reciclado de discos compactos via abrasão mecânica (1602 MPa) pode chegar a
77% em relação ao módulo do policarbonato virgem (2080 MPa).
Além disso, acredita-se que a resistência ao impacto do policarbonato reciclado de CDs e DVDs seja
pouco diminuída em relação à do policarbonato virgem. Tal característica poderia favorecer a utilização
desse material onde se necessite de rigidez, transparência, resistência ao impacto e menor custo. Dessa forma,
o PC reciclado a partir de CDs e DVDs poderia substituir, por exemplo, o poliestireno (PS) em algumas
aplicações. O poliestireno é um plástico estirênico de uso comum (de menor custo) que apresenta algumas
propriedades semelhantes ao policarbonato, como transparência e rigidez. Entretanto, sua resistência ao
impacto (temperatura de transição vítrea ≅ 100°C) é muito inferior à do policarbonato (cujas temperaturas de
transição secundárias encontram-se entre -200°C e 0°C) [5, 16, 17], o qual é um plástico de engenharia de
elevado custo.
Portanto, o objetivo desse trabalho foi estudar as propriedades mecânicas do policarbonato reciclado
a partir de CDs e DVDs, visando tornar viável o uso desse material no cotidiano, podendo substituir plásticos
de uso comum, como o poliestireno, ou ser utilizado junto com o PC virgem em determinadas aplicações.
2
2.1
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais Empregados
Foram utilizados três tipos de materiais plásticos no presente estudo: poliestireno virgem (PS NR
2560) fornecido pela Innova, policarbonato virgem (PC Makrolon® PMR 39611 641-L) fornecido pela
Bayer e policarbonato reciclado obtido através dos CDs e DVDs doados pela comunidade.
2.2
Obtenção do PC Reciclado
Cerca de 500 CDs e DVDs tiveram as camadas metálicas retiradas por abrasão mecânica. Tal
processo foi realizado inicialmente em esmeril e depois em lixadeira automática, até que os discos atingissem
uma espessura entre 0,8 a 1,0 mm, o que garantia a obtenção do PC isento das camadas metálicas. Os discos
de PC foram então triturados em moinho Primotécnica e esse PC reciclado foi condicionado em estufa de
circulação de ar Fanem 320-SE por 6 horas à 90ºC.
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2.3
Obtenção dos Corpos de Prova
Corpos de prova de tração (norma ISO 527) e impacto Izod (norma ISO 180) de PS e blendas PCvirgem/PC-reciclado foram obtidos através de injeção. O PC virgem e o PC reciclado foram previamente
misturados manualmente nas proporções (%m/m) 100/0, 70/30, 50/50, 30/70 e 0/100. Essas misturas foram
condicionadas em desumidificador Piovan à 90ºC por 6 horas e posteriormente injetadas em máquina injetora
Sandretto (força de fechamento de 65 toneladas, capacidade de injeção de 138 g de PS, capacidade de
plastificação de 16,8 g.s-1, diâmetro da rosca 32 mm, pressão máxima de injeção de 1930 bar, velocidade
máxima de injeção de 76 cm3.s-1 e curso máximo de dosagem de 160 mm). Os parâmetros de processo foram
regulados conforme recomendações do fornecedor e ajustados de acordo com os valores mínimos necessários
para obtenção de corpos de prova que atendessem as especificações técnicas dos ensaios mecânicos. Os
corpos de prova obtidos foram condicionados a 23ºC (± 2ºC) e 50% (± 5ºC) de umidade relativa pelo menos
48 horas antes dos ensaios, conforme recomenda a norma ASTM D618.
2.4
Ensaios mecânicos
Para caracterizar o comportamento mecânico do PS e das blendas PC-virgem/PC-reciclado quanto
às propriedades de tensão e deformação, empregou-se o ensaio de resistência à tração. Tal ensaio foi
realizado de acordo com a norma ISO 527 em máquina Universal de Ensaios Kratos, com célula de carga de
500 kgf, velocidade de ensaio de 50 mm.min-1 e comprimento útil dos corpos de prova de 50 mm.
Para determinar a resistência ao impacto do PS e das blendas PC-virgem/PC-reciclado, os corpos de
prova foram entalhados e ensaiados em equipamento Microtest de acordo com a norma ISO 180/A. A base e
o pêndulo (2,0 Joules) utilizados seguiram o método Izod.
Com o objetivo de determinar a resistência superficial à penetração do PS e das blendas PCvirgem/PC-reciclado, foi realizado ensaio de Dureza Shore D de acordo com a norma ASTM D2240.
Utilizou-se a superfície plana dos corpos de prova de tração, equipamento Woltest SD300, peso de 5 kg e
tempo de penetração de 10 segundos.
Para obtenção dos valores médios e desvio-padrão das propriedades mecânicas foram empregados
cinco corpos de prova para o ensaio de tração e dez para os ensaios de impacto e dureza, para cada
composição de material.
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos para as propriedades mecânicas do PS e das blendas PC-virgem/PC-reciclado
são apresentados nas Figuras 2 e 3.
A tensão máxima de tração obtida para o PS está de acordo com o valor apresentado por
BRYDSON [5] (40 à 48 MPa), e a resistência ao impacto Izod e a dureza Shore D foram similares ao valores
citados por VAN KREVELEN [16] , 28 J.m-1 e 78 unidades Shore D, respectivamente.
Com relação ao PC virgem (100/0) verificou-se que a tensão máxima de tração obtida concordou
com os valores citados por BRYDSON [5] (65 MPa) e BOUDREAU et al. [13] (60,1 MPa), que o valor de
deformação na ruptura foi similar aos apresentados por BRYDSON [5] (110 à 120%) e CALLISTER JR.
[16] (110 à 150%), e que a resistência ao impacto Izod concordou com os resultados citados por BRYDSON
[5] (640 à 850 J.m-1) e VAN KREVELEN [16] (800 J.m-1).
O PC reciclado (0/100) apresentou a tensão máxima de tração similar aos valores apresentados por
BOUDREAU et al. [13] (45,5 MPa) e JONES [16] (46,3 MPa).
As blendas 70/30, 50/50 e 30/70 revelaram valores de resistência à tração praticamente constantes
em relação ao PC virgem (100/0), com desvios não superiores à 5,7% (Figura 2). O PC totalmente reciclado
(0/100) apresentou a resistência à tração apenas 20,8% inferior ao PC virgem (100/0), ou seja, 79,2% da
resistência à tração do PC virgem foram mantidas pelo PC totalmente reciclado de discos compactos (Figura
2). Esse resultado concorda com os estudos [4, 13, 14, 15] que têm verificado que a qualidade do
policarbonato reciclado de CDs e DVDs é pouco inferior em relação ao policarbonato virgem.
Esse bom desempenho de resistência à tração do PC reciclado em relação ao PC virgem ocorre
devido à estrutura molecular do polímero. Devido aos grupos benzênicos estarem diretamente na cadeia
principal, juntamente com os grupos carbonato altamente polares, a macromolécula do policarbonato é muito
rígida e resistente, a qual suporta elevada tensão máxima de tração, apesar dos ciclos de reciclagem [5, 19].
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180
Resistência à Tração Máxima (MPa)
80
160
Deformação na Ruptura (%)
70
60
50
40
30
20
140
120
100
80
60
40
10
20
0
0
100/0
70/30
50/50
30/70
0/100
100/0
PS
70/30
30/70
50/50
0/100
PS
PC virgem / PC reciclado
PC virgem / PC reciclado
Figura 2: Resistência à tração e deformação na ruptura do PS e das blendas PC virgem/PC reciclado.
Comparando-se a resistência à tração entre o PC reciclado (0/100) e o PS (Figura 2), verifica-se que
esses materiais mostraram-se muito similares (o PC reciclado foi apenas 2,4% inferior ao PS). Tal resultado
revela o bom desempenho mecânico do PC reciclado de discos compactos e de suas blendas com PC virgem,
podendo esses materiais virem a substituir artigos confeccionados em PS que necessitem de resistência à
tração e ao impacto. Entretanto, ressalta-se aqui que o PC reciclado (0/100) apresentou um maior desvio
padrão, provavelmente devido à condição de estar 100% reciclado, o que é comum em plásticos de
engenharia reciclados [5, 19].
A boa resistência à tração do PS está associada com a estrutura molecular do polímero, pois o grupo
lateral benzênico presente no PS restringe a mobilidade molecular e eleva a temperatura de transição vítrea (≅
100°C) [5, 19] fazendo necessário alta carga de tração para provocar a ruptura do material.
100
700
80
600
Dureza Shore D
Resistência ao Impacto Izod (J/m)
800
500
400
300
60
40
200
20
100
0
0
100/0
70/30
50/50
30/70
PC virgem / PC reciclado
0/100
PS
100/0
70/30
50/50
30/70
0/100
PS
PC virgem / PC reciclado
Figura 3: Resistência ao impacto e dureza superficial do PS e das blendas PC virgem/PC reciclado.
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Com relação à deformação na ruptura, obteve-se que as quantidades de 30%, 50% e 70% de PC
reciclado adicionadas ao PC virgem reduziram significativamente tal propriedade (Figura 2). As blendas
70/30, 50/50 e 30/70 apresentaram redução de 91,2% , 83,2% e 102,7% , respectivamente. O PC totalmente
reciclado (0/100) mostrou redução de 131,6% comparado ao PC virgem (100/0). O PC reciclado diminuiu
muito a sua capacidade deformar-se plasticamente durante ensaio de resistência à tração. Além disso,
percebe-se através dos valores de desvio padrão obtidos que as misturas de PC reciclado com PC virgem
demonstraram-se um pouco instáveis. Tal fenômeno é comum em plásticos de engenharia reciclados, e
geralmente está associado à redução de massa molar promovida durante os processos os processos de
moagem, regranulação e reprocessamento [5, 19].
Porém, comparando-se os resultados de deformação na ruptura do PC reciclado (0/100) e do PS,
percebe-se que esses valores foram muito similares, sendo que o PC reciclado foi cerca de 1,2% superior ao
PS (Figura 2).
A resistência ao impacto das blendas foi diminuída de acordo com as quantidades de PC reciclado
adicionadas. Em relação ao PC virgem (100/0) as blendas 70/30, 50/50, 30/70 e 0/100 apresentaram
diminuição de 8,2%, 16,9%, 18,5% e 39,2%, respectivamente (Figura 3). Vale ressaltar que 60,8% da
resistência ao impacto do PC virgem foi mantida pelo PC totalmente reciclado de discos compactos,
concordando assim com a literatura [4, 13, 14, 15].
Essa boa performance de resistência ao impacto do PC reciclado ocorre devido às características da
estrutura molecular do polímero. Os grupos fenileno, isopropilideno e carbonatos possuem movimentos
internos que originam transições secundárias em -200°C e 0°C. Esses movimentos internos, associados ao
elevado volume livre da estrutura molecular do PC, absorvem as tensões de impacto aplicadas [5, 19], apesar
do material ter sofrido um processo abrasivo de reciclagem.
Obteve-se que a resistência ao impacto do PC totalmente reciclado (0/100) foi muito superior à do
PS (o PS mostrou apenas 7% da resistência ao impacto apresentada pelo PC totalmente reciclado – Figura 3).
Tal resultado indica o bom desempenho com relação ao impacto do PC reciclado de discos compactos e de
suas blendas com PC virgem, podendo esses materiais substituir artigos confeccionados em PS sem perda de
resistência ao impacto, o que é comum em aplicações que utilizem o PS.
Com relação à dureza superficial, obteve-se que as quantidades de PC reciclado de discos
compactos incorporadas ao PC virgem não influenciaram essa propriedade, e que mesmo o PC totalmente
reciclado apresentou dureza similar ao PC virgem e ao PS (Figura 3).
4
CONCLUSÃO
Blendas de PC-virgem/PC-reciclado de discos compactos e PS virgem tiveram as propriedades
mecânicas de resistência à tração, deformação na ruptura, resistência ao impacto Izod e dureza Shore D
estudadas nesse trabalho. Para quantidades de até 70% de PC reciclado de discos compactos adicionadas às
blendas PC-virgem/PC-reciclado, obteve-se diminuição na resistência ao impacto e na deformação, e
manutenção da resistência à tração e da dureza superficial, em relação ao PC virgem. Verificou-se que o PC
totalmente reciclado conseguiu manter 79,2% da tensão máxima de tração e 60,8% da resistência ao impacto,
em relação ao virgem. O PC totalmente reciclado apresentou propriedades de resistência à tração,
deformação na ruptura e na dureza superficial similares ao PS, porém resistência ao impacto muito superior,
o que poderia favorecer a utilização de PC reciclado em substituição ao PS.
5
AGRADECIMENTOS
À Innova, pelo fornecimento do Poliestireno, à Bayer, pelo fornecimento do Policarbonato
Makrolon® e à Sociesc, pela infra-estrutura dos laboratórios.
6
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